Termodinâmica

Termodinâmica – vocabulário Sistema termodinâmico Uma certa porção de matéria, que pretendemos estudar, suficientemente extensa para poder ser descrita por parâmetros macroscópicos. Vizinhança do sistema Aquilo que é exterior ao sistema e com o qual o sistema pode, eventualmente, trocar energia e/ou matéria. Superfície fechada, real (uma parede, uma membrana, etc) ou abstracta (imaginada por nós), que separa o sistema da sua vizinhança. Fronteira

Sistemas Termodinâmicos isolado Não troca energia nem matéria com a sua vizinhança. Sistema fechado Não troca matéria com a sua vizinhança (pode trocar energia). Sistema aberto Troca matéria com a sua vizinhança.

(contrário: adiabáticas) (contrário: impermeáveis) Tipos de Paredes Permitem transferência de energia na forma de trabalho mecânico. Paredes móveis (contrário: fixas) Permitem transferência de energia na forma de calor. Paredes diatérmicas (contrário: adiabáticas) Não permitem transferência de energia na forma de calor. Paredes adiabáticas Permitem transferência de matéria. Paredes permeáveis (contrário: impermeáveis)

Trabalho realizado sobre um gás inserido num pistão

Trabalho termodinâmico: processo que leva o sistema do estado 1 ao estado 2 diagrama P-V ou de Clapeyron A O livro do Tipler usa a seguinte notação: Wviz ........ Trabalho realizado pela vizinhança sobre o sistema; Wsis ........ Trabalho realizado pelo sistema sobre a vizinhança

Exemplo 1 Expansão isotérmica de um gás ideal – Um gás sofre uma expansão isotérmica (a temperatura constante) para uma temperatura T, enquanto o volume varia entre os limites V1 e V2. Qual o trabalho realizado pelo gás? De acordo com a equação do gás ideal: PV=nRT, assim Assim a equação do trabalho torna-se: Além disso T é constante: Logo,

Convenções de Sinais: Calor Calor - Modo de transferência de energia resultante da diferença de temperatura entre dois sistemas (ou um sistema e a vizinhança): Q > 0 → calor que entra no sistema Q < 0 → calor que sai do sistema

O trabalho realizado pelo sistema depende do processo. O trabalho realizado por um sistema depende dos estados inicial e final e do caminho seguido pelo sistema entre estes estados: O trabalho (W) não é uma variável de estado.

Primeira Lei da Termodinâmica Portanto, podemos definir a primeira lei da termodinâmica como: Conservação de energia Q > 0  calor adicionado ao sistema (U aumenta) Q < 0  calor retirado do sistema (U diminui) W > 0  trabalho realizado pelo sistema (U diminui) W < 0  trabalho realizado sobre o sistema (U aumenta) Embora Q e W dependam do caminho escolhido, a quantidade Q – W é independente do caminho. A energia interna (U) é uma variável de estado.

Processos Processos Durante a transformação Isotérmico “Caminho” descrito pelo sistema na transformação . P1 V1 T1 U1 P2 V2 T2 U2 Processos Durante a transformação Isotérmico temperatura constante Isobárico Pressão constante Isovolumétrico volume constante Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.

Capacidade calorífica dos gases 1 - Capacidade calorífica a volume constante – Cv 2 - Capacidade calorífica a pressão constante – Cp ..............................

Compressão adiabática quase-estática

Equipartição de Energia Num sistema cada partícula tem, para cada grau de liberdade o equivalente a: Num sistema com n moles de partículas em que cada partícula tem 3 graus de liberdade a energia total U do sistema será: A capacidade calorífica a volume constante, nesse caso, é:

Relação entre Cp e Cv Num sistema de n moles de partículas em que cada partícula tem 3 graus de liberdade (gás de moléculas monoatômicas): Num sistema de n moles de partículas em que cada partícula tem 3 graus de liberdade (gás de moléculas diatômicas):

Compressão adiabática Exercícios: 1 – Mostrar que . 2 – Calcular o trabalho W no processo adiabático entre os pontos (P1, V1) e (P2, V2).